光通信系统、光发送机和光接收的制造方法
【专利摘要】光通信系统、光发送机和光接收机。一种光通信系统包括光发送机以及经由传输线连接到该光发送机的光接收机，在所述光通信系统中，所述光发送机发送连续波光信号，该连续波光信号在与所述光接收机中的本地振荡信号组合时使得能够实现拍检测，并且所述光接收机通过利用所述本地振荡信号对所述光信号进行检波来通过数字采样获取拍波形，在解调之前对具有所述拍波形的数字采样数据执行频率分析，并且基于拍频控制本地振荡频率。
【专利说明】光通信系统、光发送机和光接收机
【技术领域】
[0001]本文讨论的实施方式涉及光通信系统、该光通信系统中所使用的光发送机和光接收机。
【背景技术】
[0002]在使用零差检测的相干光通信中，发送侧的发送信号频率和接收侧的本地振荡频率必须彼此一致。在技术上难以使光频率彼此完全一致。在光接收机中，基于来自数字信号处理器的反馈信号，与数据同步地生成时钟脉冲，以按照时钟频率对数据进行采样。例如，参见日本特开2009-60309号公报。然而，如果信号被相位调制，则光波的相位可能根据信号分量而改变。在这种情况下，可能即使所接收到的信号与来自本地振荡器的信号混合，也未获取正弦波，并且无法检测发送侧的光源与本地振荡器之间的频率偏移。
[0003]传统的时钟提取电路是基于采用诸如二相相移键控(BPSK)、差分相移键控(DPSK)或四相相移键控(QPSK)的恒定包络相位调制方案的假设设计的。当使用在振幅方向上具有多个水平的多级相位调制(例如，16正交幅度调制(16-QAM)或64-QAM)时，来自耦合器的乘法结果提供多个值(例如，当采用16-QAM时，四个振幅水平)。因此，为强度调制设计的时钟提取电路无法提取时钟脉冲。
[0004]内差相干检测容许发送侧光源与接收侧本地振荡器之间的少量频率偏移。例如，参见 P.J.Winzer 等人的 “56-Gbaud PDM-QPSK:Coherent Detect1n and2, 500-kmTransmiss1n”(EC0C2009)。对于内差相干检测，如图1A所示，由于发送侧光源与接收侧本地振荡器之间的频差而发生符号旋转(相位旋转)。为了补偿符号旋转，数字信号处理器如图1B所示生成逆向旋转，并且在图1C所示的符号位置处停止旋转。如果本地振荡频率在补偿符号旋转期间改变，则从符号旋转估计的频差也变化。因此，相位旋转瞬间偏离在数字信号处理器处估计的频率偏移补偿值，并且发生突发错误。另外，当本地振荡频率改变时，数据信号的相位也改变，时钟提取电路可能发生故障。
[0005]提出了一种加宽频率偏移补偿范围的技术。例如，参见H.Nakashima等人的“Novel Wide-range frequency Offset Compensator Demonstrated with Real-timeDigital coherent Receiver”(EC0C2008)。此技术称为基于预先决策的角度差分频率偏移估计器(PADE)算法。PADE可加宽补偿范围；然而，Q惩罚(penalty)随着频率偏移增大而变大。已确认，即使执行理想频率偏移补偿，也发生Q因子惩罚。
[0006]有人主张，在特征光网络中，广泛使用具有可变频率网格间距的柔性网格技术或者最终为没有频率网格的无网格技术。例如，参见白皮书“Building a Fully FlexibleOptical Layer with Next-Generat1n ROADMs，，(HEAVY READING，2011 年 10 月)。在可变网格或无网格通信中，即使采用使用PADE的数字信号处理，也无法接收光信号。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目的在于提供一种光通信技术，其能够与调制方案无关地使本地振荡频率与发送机光源的频率一致或接近以建立通信，并且减小由频率偏移引起的Q因子惩罚。
[0008]根据实施方式的一个方面，提供了一种光通信系统。该系统包括光发送机以及经由传输线连接到该光发送机的光接收机。所述光发送机发送连续波光信号，该连续波光信号在与所述光接收机中的本地振荡信号组合时使得能够实现拍检测。所述光接收机通过利用本地振荡信号对所述光信号进行检波来通过数字采样获取拍波形，在解调之前对具有所述拍波形的数字采样数据执行频率分析，并且基于拍频控制本地振荡频率。
[0009]通过该结构，不管调制方案如何，均使本地振荡频率与发送机光源的频率一致或接近，并且可减小由频率偏移引起的Q因子惩罚。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1A至图1C是示出使用数字信号处理的频率偏移补偿的示图；
[0011]图2A是根据第一实施方式的光通信系统中所使用的光发送机的示意图；
[0012]图2B是根据第一实施方式的光通信系统中所使用的光发送机的示意图；
[0013]图3是根据第一实施方式的光通信系统中所使用的光接收机的示意图；
[0014]图4是根据第一实施方式的光通信系统中所使用的光接收机的示意图；
[0015]图5A示出从光发送机发送并在光接收机处用于本地振荡器调节的连续波(CW)信号;
[0016]图5B示出在光接收机的模数转换器(ADC)处通过对所检测到的CW信号进行采样而获得的拍(beat)波形；
[0017]图5C示出图5B的拍信号的快速傅里叶变换(FFT)计算结果；
[0018]图6A示出从光发送机发送并在光接收机处用于本地振荡器调节的低调制信号；
[0019]图6B示出在光接收机的ADC处通过对所检测到的低调制信号进行采样而获得的拍波形；
[0020]图6C示出图6B的拍信号的FFT计算结果；
[0021]图7是示出根据第一实施方式的光发送机的基本操作的流程图；
[0022]图8是示出根据第一实施方式的光接收机的基本操作的流程图；
[0023]图9A是说明如何从放大自发发射(ASE)辨别发送的信号的示图，所述示图示出噪声信号的时间波形；
[0024]图9B是说明如何从ASE辨别发送的信号的示图，所述示图示出通过频率分析获得的图9A的时间波形的功率谱；
[0025]图10是从图8的基本操作发展而来的光接收机的操作流程的修改；
[0026]图11是图10中对本地振荡器的控制(S305)的详细操作的流程图；
[0027]图12是根据第二实施方式的光通信系统中所使用的光接收机的示意图；
[0028]图13是用于确定所检测到的信号是否为来自发送侧的发送信号的阈值表的示例；
[0029]图14A示出通过ADC采样的拍频为1GHz，振幅为I (任意单位)的拍信号；
[0030]图14B示出图14A的拍信号的FFT计算结果；
[0031]图15A示出通过ADC采样的拍频为1GHz，振幅为2 (任意单位)的拍信号；
[0032]图15B示出图15A的拍信号的FFT计算结果；
[0033]图16A示出通过ADC采样的拍频为10GHz，振幅为I (任意单位)的拍信号；
[0034]图16B示出图16A的拍信号的FFT计算结果；
[0035]图17是图13的阈值表的修改；
[0036]图18A是图13的阈值表的另一修改；
[0037]图18B是图13的阈值表的另一修改；
[0038]图19是根据第三实施方式的光通信系统中所使用的光发送机的示意图；
[0039]图20是根据第三实施方式的光通信系统中所使用的光接收机的示意图；
[0040]图21示出来自图19的光发送机的发送信号的帧结构；
[0041]图22k是说明从图20的光接收机的ADC获取的信号的符号长度的示图；
[0042]图22B是说明从图20的光接收机的ADC获取的信号的符号长度的示图；
[0043]图23示出将来自ADC的采样数据分成多个块的示例；
[0044]图24是由光接收机执行的操作的流程图；
[0045]图25A是根据来自ADC的采样数据的各个块中所包含的分量获得的功率谱的示例；
[0046]图25B是根据来自ADC的采样数据的各个块中所包含的分量获得的功率谱的示例；
[0047]图25C是根据来自ADC的采样数据的各个块中所包含的分量获得的功率谱的示例；
[0048]图26是说明根据本地振荡器的频率改变确定频率偏移补偿的量的示图；
[0049]图27是由根据第四实施方式的光接收机执行的操作的流程图；
[0050]图28是图27的操作流程的修改；
[0051]图29是图27中对本地振荡器的控制(S703)的详细操作的流程图；以及
[0052]图30示出实施方式的有益效果。
【具体实施方式】
[0053]以下参照附图描述实施方式。在这些实施方式中，在建立通信之前，在ADC中使用自运行(自振荡)采样时钟以利用非同步时钟对输入数据进行采样，并且在解调之前从独立于调制方案的功能块获取采样数据。对采样数据执行频率分析，以对检测到的信号的拍频进行检测。基于所检测到的拍频，使本地振荡频率与发送机光源的频率一致或接近。这种布置方式可以与调制方案无关地控制本地振荡器(LO)，并且防止故障(减小Q因子惩罚)。
[0054]<第一实施方式>
[0055]图2A以示意性框图示出单偏振(SP)QPSK光发送机10A，图2B以示意性框图示出双偏振(DP)QPSK光发送机10B。图3以示意性框图示出SP-QPSK光接收机20A，图4以示意图示出DP-QPSK光接收机。
[0056]无论是否采用偏振分割复用，实施方式的结构和方法均适用。实施方式还适用于任意调制方案(例如，多级幅度调制)，而不限于QPSK。实施方式的方法和结构同样适用于具有偏振分割复用的情况(图2B和图4)和没有偏振分割复用的情况(图2A和图3)。因此，光发送机1A和1B统称为“光发送机10”，光接收机20A和20B统称为“光接收机20”。在以下描述中，以SP-QPSK光发送机1A和SP-QPSK光接收机20A为例进行说明，省略对DP-QPSK发送机和接收机的多余说明。
[0057]在图2A中，选择器14在控制器13的控制下选择来自符号映射器11的输出或来自信号源12的输出中的任一个。符号映射器11接收2比特数据并将该数据转换为由同相(I)分量和正交(Q)分量表示的四个相位信息项。
[0058]选择器14被设计为当被激活时选择来自信号源12的输出。由信号源12生成的信号是非调制信号(连续波)或者具有低调制程度的信号。从非调制或低调制信号获取的光信号将在下面参照图5A至图5C和图6A至图6C更详细地描述。如果没有使用选择器14，则符号映射器11可被设计为在开始通信之前输出相同的数据值达预定时间段，以生成连续波。
[0059]选择器14的输出连接到串行器15的输入。由于选择器14以相对低的速率操作，所以通过串行器15将来自选择器14的输出信号转换为与符号速率对应的高速率信号。代替串行器15，可使用数模转换器(DAC)。当使用DAC时，信号速率增加至符号速率的几倍。
[0060]在驱动器16处将串行器15的输出信号放大，从驱动器16生成的驱动信号用于驱动调制器17。调制器17是任意类型的光调制器，例如铌酸锂(LN)调制器或者使用半导体材料的光调制器。调制器17根据驱动信号调制由光源(未示出)生成的载波，并将调制的光信号输出至传输线2。
[0061]图2B的光发送机1B执行类似于图2A的光发送机1A的操作，不同的是将由两比特表示的四个信息项分配给彼此正交的X偏振光分量和I偏振分量。
[0062]图3示出光接收机20A。从传输线2接收的光信号输入至90度混合光混频器21，并利用来自本地振荡源22的光信号检测。通过一组光电二极管和跨阻放大器(未示出)将所检测到的光信号转换为电信号。由ADC24按照采样时钟源23所生成的采样时钟对模拟电信号进行采样。通常，按照符号速率的两倍速率或两倍以上速率来执行采样。
[0063]将采样信号提供给波长色散补偿器25，在波长色散补偿器25中补偿传输路径中的波长色散。时钟和数据恢复(⑶R) 26从数据恢复时钟。可将⑶R26的输出反馈给ADC24或者采样时钟源2以调节频率和相位。
[0064]⑶R26的输出连接到偏振分离器(或跟踪器)27，在偏振分离器27中减小偏振旋转的影响。频率偏移和相位(频率偏移/相位)补偿器28补偿发送机光源与本地振荡源22之间的频率偏移和相位偏移。通过该操作，如图1C所示确定符号位置。解码器29执行发送侧符号映射的逆操作，以将数据解码。
[0065]在实施方式的多个特征中的Iv中，米样时钟源23在启动时自动振汤以自运打，并且ADC24按照与数据采样时钟不同步的采样时钟对从发送侧为本地振荡器调节发送来的光信号(CW波或低调制波)执行数字采样。从诸如ADC24或波长色散补偿器25的预解调块(所述预解调块独立于调制方案)取出数字采样信号的一部分，并将其提供给频率分析器31。在以下描述中，利用ADC24的输出为例说明频率分析器31的操作；然而，如虚线所示，可同样使用波长色散补偿器25的输出。
[0066]在光接收机20的ADC24处，从光发送机10发送来的CW信号被观测为根据发送侧光源与本地振荡源22之间的频差的拍波形。术语“拍”表示当频率彼此略微不同的两个正弦波叠加时所生成的拍频，所述频率等同于这两个正弦波之间的频差。
[0067]如图5A所示，如果在没有幅度调制的情况下，从光发送机10发送恒定功率水平的连续波，则从光接收机20的ADC24输出的采样信号具有图5B所示的拍波形。在此示例中，ADC24的采样率为每秒100G样本，频率偏移(即，拍频)为IGHz。当在频率分析器31处对此拍波形执行快速傅里叶变换(FFT)计算时，如图5C所示检测到IGHz的频率偏移。在图5C中，在99GHz处还观测到另一信号分量。此分量是折返分量。可通过监测尼奎斯特频率或以下(在此示例中，50GHz或以下)的频带来正确估计频率偏移。
[0068]如图6A所示，如果从光发送机10发送低调制连续波，则从光接收机20的ADC24输出的采样信号具有图6B所示的拍波形。在此示例中，幅度调制率为250MHz，拍频为1GHz。在发送侧应用的幅度调制程度低于用于数据调制的调制程度。当在频率分析器31处对通过ADC24获得的拍波形执行FFT计算时，如图6C所示检测到IGHz的频率偏移。
[0069]在建立通信之前从光发送机10发送来的用于本地振荡器调节的光信号可具有任意波形，只要接收侧处检测到拍波形即可。这种光信号不限于图5A或图6A中举例说明的连续波。
[0070]在此示例中，频率分析器31按照1024点执行FFT计算。可增加采样点的数量以更精确地估计频率偏移，因为FFT计算的频率分辨率随着采样点数量增加而变高。只要执行频率分析，可采用FFT以外的任意方法。如果允许较低的频率分辨率，则可执行数据抽取以使来自ADC24的采样数据变稀疏或者可改变采样频率，因为FFT频率分辨率由数据点的数量和采样频率决定。将所检测到的频率偏移提供给频率控制器32以控制本地振荡源22。
[0071]在前文中，ADC24按照与数据时钟不同步的自运行时钟操作，以获取采样结果。然而，可按照与数据时钟不同步的采样时钟从设置在CDR26之前的波长色散补偿器25获取用于频率分析的采样数据。在这种情况下，由于CDR26无法按照拍频提取时钟，所以采样时钟自动运行(自运行)。
[0072]图4不出光接收机20B。所述接收光信号被偏振分光器(未不出)分成X偏振和Y偏振，并输入到90度混合光混频器21。90度混合光混频器32利用本地振荡光的x偏振分量和I偏振分量检测X偏振分量和I偏振分量。从90度光混频器21输出X偏振分量和y偏振分量中的每一个的同相(I)分量和正交(Q)分量。类似于图3的光接收机20A，为了调节本地振荡器，采样时钟源23在启动时自动运行，以按照与数据时钟不同步的采样定时来驱动ADC24。执行频率分析以检测拍频，并且基于该拍频控制本地振荡源22以使本地振荡频率与发送侧光源的频率一致或接近。这些操作与图3的光接收机20A中执行的那些操作相同。
[0073]图7是示出由光发送机10执行的操作的流程图。首先，选择发送光频率(SlOl)。光发送机10的光源按照所选择的频率发射光。在数据发送之前，控制器13 (图2A或图2B)使得光发送机10发送非调制光信号(例如，图5A所示的CW)或低调制光信号(例如，图6A所示的Cff)达“ α ”时间段(S103和S105)。
[0074]由于在普通光通信中频率网格为50GHz或100GHz，所以按照任一频率间隔设置发送光频率。时间段“α ”是考虑接收侧的频率分析时间或本地振荡器控制时间而确定的参数。
[0075]如果经过时间“ α ” (S105中为“是”)，则开始发送调制的数据信号(S107)，用于本地振荡器调节的CW发送结束。
[0076]图8是示出光接收机20的基本操作的流程图。首先，选择本地振荡源22的频率f0(S201和S202)。从本地振荡源22发送连续波(CW) (S203)直至波长变稳定(S204)。然后，从ADC24或波长色散补偿器25获取所检测到的CW的采样数据(S205)，并在频率分析器31处执行频率分析(S206)。
[0077]通过频率分析确定光接收机20是否正在接收从光发送机10发送来的光信号(S207)。在普通波长分割复用中，在传输线2中插入光放大器，因此在所接收到的信号中可能混有放大自发发射(ASE)噪声。因此，确定所接收到的信号是从光发送机10发送来的CW
信号还是噪声。
[0078]图9A示出按照每秒10GHz样本接收噪声时观测到的时间波形。如果对图9A的时间波形应用频率分析，则如图9B所示检测到各种频率分量。与图5C或图6C的频谱不同，功率谱的峰值较低。因此，在S207中基于频率分析结果确定正在接收的是所发送的光信号或ASE噪声中的哪一个。如果正在接收ASE噪声(S207为“否”)，则重复S205至S207的循环，直至从光发送机10接收到CW光信号为止。
[0079]为了在ASE噪声和发送信号之间进行区分，可计算具有最大功率水平的功率谱分量与具有第二大功率水平的功率谱分量之差。如果所述差大于规定的阈值，则可确定正在接收所发送的光信号。另选地，如果最大至第N分量的功率水平超过规定的阈值，则可确定正在接收所发送的光信号，其中N是等于或大于2并且等于或小于FFT点数的一半(1/2)的整数。没有必要使用绝对值来表示功率谱的幅度，可使用通过最大值归一化的相对值来进行分析。可代替功率谱使用振幅谱。
[0080]如果确定正在接收来自光接收机10的CW光信号(S207为“是”)，则基于频率分析结果存储具有最大功率谱水平的拍频f_Bl (S208)，将插入本地振荡源22的当前频率“f” (S209)。由于本地振荡源22的频率控制范围是有限的，所以确定新的本地振荡频率“f”(等于f+f_Bl)是否在频率偏移的可接受控制范围内(S210)。如果新设置的本地振荡频率超出可接受范围(S210为“否”)，则在S222中将本地振荡频率“f”设置回初始值(f=f-f_BD，同时生成警告(S223)，操作终止。
[0081]如果本地振荡频率“f”在可接受控制范围内(S210为“是”)，则将本地振荡频率“f”设置为f+f_Bl(S211)，保持操作直至波长变稳定。通常，波长受温度控制，波长变稳定之前需要花费一定时间。
[0082]然后，从ADC24再次获取采样数据项(S213)以用于频率分析(S214)。将频率分析结果中具有最大功率谱水平的拍频f_B2存储在存储器中(S215)。将当前获取的拍频f_B2与先前的拍频f_Bl进行比较，以检查本地振荡频率的调节方向(S216)。假设发送侧光源的频率为f0，并且本地振荡源22的频率相对于f0偏移了 -1GHz或+IGHz，则在任一情况下，所检测到的采样数据的拍频(即，频率偏移)变为1GHz。仅从拍频无法检测出改变方向(即，在正方向还是负方向上控制本地振荡源22的频率偏移)。为此，将f_B2与f_Bl进行比较以确定控制方向。
[0083]如果f_B2等于或小于f_Bl (S216为“否”)，则频率偏移减小，因此，处理终止，因为已在正确方向进行了调节。
[0084]如果f_B2大于f_Bl (S216为“是”)，则意味着在调节本地振荡频率之后拍频增大。在这种情况下，重新调节本地振荡频率使其相对于初始频率f0减小f_Bl (S217)。由于在S216处，本地振荡频率已变为f = f+f_Bl，所以在S217中从当前“f”中减去f_B2的两倍，使得 f 变为 fO_f_Bl (f = f-2*f_Bl)。
[0085]然后，确定所调节的本地振荡频率“f”是否为可接受控制范围内的容许偏移(S218)。如果所调节的值在控制范围内(S218为“是”)，则将本地振荡频率固定为“f”(S219)，处理终止。如果所调节的值在控制范围之外(S218为“否”)，则在S221中将“f ”设置回初始值(f = f+2*f_Bl)，同时生成警告(S223)，并且处理终止。
[0086]为了简化，图8的操作流程仅示出一轮本地振荡频率调节。实际中期望重复控制循环，直至频率偏移变为零或最小值为止。
[0087]图10示出本地振荡频率的重复控制流程的示例。与图8所示的步骤相同的步骤用相同的符号指代，省略多余说明。
[0088]首先，在S301中将控制计数器值N初始化(N = O)。然后，选择本地振荡频率f0 (S201)。随后的步骤S202至S207，即，从本地振荡源22输出CW光，使波长稳定，从ADC24获取采样数据，进行频率分析以及确定是否正在接收从对应光发送机发送来的光信号，与图8中所示的步骤相同，省略多余说明。
[0089]如果输入信号是来自发送侧的CW光信号，并且如果从频率分析结果获取的频率偏移(即，拍频)在可接受范围内(S303为“是”)，则正确进行了本地振荡频率的调节，并且处理终止。如果所检测到的频率偏移在可接受范围之外(S303为“否”)，则再次控制本地振荡频率的调节(S205)，将控制计数器值N递增(S306)。然后确定N是否小于规定的数(S307)。重复步骤S204至S306，直至计数器值达到规定的数。如果计数器值已达到规定的数(S307为“否”)，则处理终止。
[0090]图11示出图10中的本地振荡器控制步骤S305的详细操作。本地振荡器控制与图8的从S208至S222的操作流程相同。从对来自ADC24的第一组采样数据的频率分析获取功率谱中具有最大峰值的拍频f_Bl，并且将本地振荡频率f设置为f0+f_BI (S208-S212)。将功率谱中具有最大峰值的拍频f_B2与f_Bl进行比较，以确认频率调节的方向(S213-S216)。如果频率调节在增加方向上进行，则在正确方向上调节控制方向(S217-S218)。如果调节的本地振荡频率f在本地振荡器控制范围内，则将本地振荡频率设置为调节的频率(S219)。如果调节的频率在控制范围之外，则发出警告，并且处理终止(S221-S223)。
[0091]当对本地振荡器的控制如图10所示重复时，可从拍频的平均值估计频率偏移。
[0092]如上所述，在建立通信之前从光发送机10发送用于本地振荡器调节的连续波信号。在光接收机20A(或20B)处，采样时钟自动运行，以按照与数据不同步的定时对所接收到的CW信号进行采样，从而将本地振荡源与发送侧光源之间的频率偏移消除或最小化。这种布置方式允许零差检测。另外，可防止数据传输期间的突发错误或者时钟提取电路的故障，并且可在内差检测中减小由频率偏移引起的Q因子惩罚。
[0093]当偏振平面在传输路径上旋转时，拍信号的振幅在采用SP-QPSK时可能根据偏振而变小。在这种情况下，从开始执行图8或图10的操作流程，或者另选地，可在预定的等待时间之后从ADC24获取采样数据。在DP-QPSK中，从四个通道获得具有相同频率的拍信号；然而，输出至X方向通道与输出至I方向通道的拍信号的振幅可能根据偏振状态而彼此不同。在这种情况下，在具有最大振幅的通道处执行频率分析以检测拍频(即，频率偏移)。对于DP-QPSK，在发送侧生成的用于拍检测的CW信号可以是X方向偏振信号或y方向偏振信号中的任一个。
[0094]如果即使在经过特定时间段之后在频率分析器31处仍无法检测到拍频，则可经由控制面向光发送机10发送请求，以使得再次输出CW信号。
[0095]代替在启动时在图2中的选择器14处选择信号源12，符号映射器11可被设计为输出相同的数据以生成连续波。
[0096]在此实施方式中，通过ADC24处每秒100G样本的采样率，可测量低于50GHz的拍信号。换言之，当建立通信时，可使本地振荡源22的频率与远离现有50GHz网格达25GHz之间的频率一致。这种布置方式有利于特征可变网格或无网格架构。
[0097]由于本地振荡频率符合发送侧光源的频率，所以可减小Q因子惩罚。
[0098]<第二实施方式>
[0099]图12是根据第二实施方式的光接收机40的示意性框图。发送侧的结构与第一实施方式中说明的结构相同，例如，使用图2A的光发送机10A。尽管图12示出SP-QPSK光接收机，但是主要操作同样适用于DP-QPSK光接收机，省略其说明。
[0100]修改部分包括接收前端，其连接到将光信号分割的耦合器53、将光信号转换为电信号的光电(OE)转换器54、监测光功率的功率监测器55以及控制器(第二控制器)56，这些部件是添加的。
[0101]所述接收光信号被稱合器53分割。一个分量输入到90度混合光混频器41,另一分量输入至OE转换器54。功率监测器55测量OE转换器54的输出的强度，以获取接收的功率水平，所述功率水平被提供给频率控制器52。第二控制器56控制设置在90度混合光混频器41中的跨阻放大器(TIA)的增益。为TIA设置的增益还被报告给频率控制器52。频率分析器51从来自ADC44的采样数据通过峰到峰或均方根(RMS)方法计算拍振幅。将所计算出的拍振幅与通过FFT计算获取的拍频(频率偏移)一起提供给频率控制器52。
[0102]如果拍频不同，则即使振幅相同，在ADC44处采样的拍信号的功率谱水平也变化。拍信号的振幅由输入至90度混合光混频器41的接收光的功率水平、本地振荡源42的光功率、90度混合光混频器41中的TIA增益等来确定。
[0103]频率控制器52在确定是否正在接收来自光发送机的CW光信号时，从图13的阈值表61选择适当的阈值。阈值表61描述与所接收到的光功率、本地振荡器功率水平、TIA增益和后FFT拍频关联的阈值P。除了这些参数之外，可考虑印刷电路板的布线特性。代替阈值表61，可使用限定阈值表61中描述的参数之间的关系的近似公式。
[0104]当ADC44的采样率为(例如)每秒100G样本时，如图14A所示观测到拍频为1GHz、振幅为1(任意单位)的信号。通过在频率分析器51处对拍信号执行频率分析，如图14B所示检测到IGHz的频率偏移。
[0105]图15A示出拍频为1GHz、振幅为2 (任意单位)的拍信号，图15B示出频率分析器51的FFT计算结果。将图14A和图14B与图15A和图15B进行比较，将理解功率谱水平(在垂直轴)响应于拍波形的振幅而变化。
[0106]图16A示出拍频为10GHz、振幅为I (任意单位)的拍信号，图16B示出频率分析器51的FFT计算结果。将图14A和图14B与图16A和图16B进行比较，将理解，即使在相同的振幅处，功率谱水平(在垂直轴)也响应于拍频而变化。
[0107]因此，图13的阈值表61描述根据拍振幅、拍频等的不同阈值P，使用适当的阈值P来确定是否正在接收CW光信号。在相同的接收光功率下(例如，P_S1)，本地振荡器功率水平可随不同的TIA增益(例如，G1、G2、G3等)而变化(例如，P_L1和P_L2)，并且通过频率分析检测的拍频(频率偏移)不同。
[0108]在图13中，阈值表61在各行中具有功率谱的最大分量的单个阈值P。代替表61，可使用图17所示的阈值表62，在该表中针对功率谱的第I至第N大的分量设置多个阈值Pl-PN0
[0109]图18A和图18B分别示出其它阈值表63A和63B。在图18A中，阈值P与拍频和拍振幅关联。拍频是在频率分析器51处获取的ADC采样数据的FFT计算结果。从来自ADC44的采样数据通过峰至峰或RMS方法计算拍振幅。通过将阈值P与拍频和拍振幅关联，可在确定来自发送侧的CW光信号的存在时选择适当的阈值P。
[0110]如图18B所示，可在表63B中输入用于功率谱的第I至第N大的分量的多个阈值(Pl-PN)，或者另选地，可代替表使用限定阈值P、拍频和拍振幅之间的关系的近似公式。如第一实施方式中一样，如果即使在经过特定时间段之后在频率分析器51处仍无法检测到拍频，则可经由控制面将重发CW光信号的请求提供给光接收机10。
[0111]采样时钟源43、波长色散补偿器45、⑶R46、偏振分离器47、频率偏移和相位补偿器48和解码器49的结构和操作与第一实施方式中相同，省略其说明。
[0112]〈第三实施方式〉
[0113]图19是根据第三实施方式的光通信系统中所使用的光发送机70的示意性框图。在第三实施方式中，在发送侧插入用于频率偏移的训练图案。
[0114]光发送机70具有符号映射器71、训练图案生成器73和数据组合器72。在数据组合器72处将由训练图案生成器73生成的训练图案与符号映射器71的输出组合。设置在数据组合器72之后的串行器75、驱动器76和调制器77具有与第一实施方式中所示相同的结构并执行相同的操作。
[0115]训练图案生成器73生成图案，所述图案使得调制器77能够输出连续波达预定时间段并且使得接收机能够检测拍波形。对于QPSK，连续输出具有相同符号的相同数据。
[0116]图20是根据第三实施方式的光通信系统中所使用的光接收机80的示意性框图。与第一实施方式中相同的元件用相同符号指代，省略多余说明。频率分析器81从ADC24获取具有预定符号长度的数字采样数据，并且通过将各个块逐符号地移位来将采样数据分成多个恒定长度的块。通过在将块逐符号地移位的同时将采样数据分成多个块，确保无误地将整个训练图案包含在多个块中的一个中。频率分析器81对各个块执行FFT计算，并且从FFT功率谱选择包含完整训练图案的块以检测频率偏移。频率控制器82基于所检测到的频率偏移控制本地振荡源22的频率。
[0117]频率控制器82从频率偏移和相位补偿器28读取频率偏移补偿值，并确定本地振荡源22的频率是小于还是大于发送侧光源的频率。与对本地振荡源22的控制同时地，频率控制器82控制频率偏移和相位补偿器28以避免过度补偿。
[0118]图21不出图19的光发送机70的巾贞结构的不例。发送巾贞90包括具有符号长度Lp的训练图案91以及具有符号长度Ld的数据块92。按照规则或不规则的间隔将训练图案92插入待发送数据中。训练图案91是使得光发送机70能够输出连续波(CW)(在QPSK中等同于传输相同的符号)的图案。训练图案91是使得接收机能够检测正弦波拍信号的任意信号，可使用第一实施方式中使用的低调制信号(参见图6A)。
[0119]如果符号速率为50G符号/秒(I符号周期为20ps)，并且如果训练图案91的长度为100符号，则接收机可监测最大周期为2ns (20ps乘以100符号)的正弦波。由于2ns对应于500MHz，所以可检测500MH或以上的频率偏移。
[0120]图22A和图22B示出由光接收机80的频率分析器81获取的来自ADC24的数字采样数据的大小。如果在图22A中从ADC24获取长度为(Lp+Pd)(是训练图案91的符号长度Lp与数据块92的符号长度Ld的总和)的数字采样数据，则根据获取定时可能未监测到训练图案91。
[0121]为了避免这种情况，如图22B所示从ADC24获取长度为2*LP+LD的数字采样数据，以监测整个训练图案91。如果ADC24执行M倍过采样(其中M是等于或大于I的整数)，则从ADC24获取(2*LP+LD)*M采样数据。由于FFT频率分辨率由数据点的数量和采样频率决定，所以可根据所需的分辨率使来自ADC24的数据变稀疏。
[0122]图23示出从ADC24获取的数字采样数据的分组。频率分析器81将来自ADC24的数字采样数据分成多个块，各个块的长度为N个符号(N是等于或小于Lp的整数)，并且移位I符号。通过这种布置方式，无误地将整个训练图案包含在任一个块中。
[0123]图24是由光接收机80的频率分析器81执行的操作的流程图。基于从ADC24或波长色散补偿器25输出的采样数据，执行图23所示的通过在逐符号移位的同时将采样数据分组的块生成(S501)。然后，对各个块应用FFT计算(S503)。然后，从块当中选择最大功率谱的拍频。
[0124]如果块中包含除训练图案之外的数据分量，则对除正弦波之外的信号执行FFT，无法检测到第一实施方式和第二实施方式中所示的拍频功率谱。
[0125]图25A至图25C示出具有最佳功率谱的块的选择。在图25A的块#1和图25B的块#2中，第一大的分量与第二大的分量之差较小，包含各种频率分量。这些频谱指示块中包含除训练图案之外的数据。
[0126]相比之下，在图25C的块#P中(其中P是表示第一块与最后一块之间的块数的整数)，第一大的分量与第二大的分量之差较大。在这种情况下，块#P中包含整个训练图案或其相当大一部分，清楚地检测到拍频。
[0127]可如第一实施方式和第二实施方式中一样利用阈值来确定是否包含训练图案。为了减少控制时间，可逐块地进行频率分析以及与阈值的比较，并且可在检测到拍频时终止分析。在这种情况下，在不分析剩余块的情况下控制本地振荡频率。如果在发送侧处按照不规则的间隔插入训练图案，则仅当基于阈值检测到拍时才执行图8的拍频的存储(S208)以及对本地振荡器的控制(S209-S219)。
[0128]在第三实施方式中，本地振荡频率中不影响频率偏移补偿的微小波动可仅在建立数据通信之前启动时校正，但是也可在操作期间校正(即，在建立线路同步之后的数据发送期间)。
[0129]如已描述的，频率控制器82在操作期间从频率偏移和相位补偿器28读取当前频率偏移补偿值，以确定本地振荡频率是小于还是大于发送侧光源的频率。频率控制器82改变本地振荡源22的频率以对由频率分析器81从训练图案检测到的频率偏移进行补偿。同时，频率控制器82控制频率偏移和相位补偿器28的频率偏移补偿值以避免过度补偿。
[0130]图26示出响应于本地振荡频率的改变来调节频率偏移补偿的量。当本地振荡源22的频率受温度控制时，本地振荡频率无法立即移位至目标频率，信号通信可能受到影响。为了解决该问题，可根据实线所示的本地振荡频率的改变来如虚线所示调节频率偏移和相位补偿器28处的频率偏移补偿量。可预先获取关于本地振荡源22中的频率变化的时间数据。
[0131]如果采用偏振分割复用，则可为了接收侧的检测将训练图案插入X偏振波和y偏振波中的一者或二者中。
[0132]〈第四实施方式〉
[0133]图27是示出根据第四实施方式的光接收机的基本操作的流程图。第四实施方式中所使用的光发送机是第一实施方式的输出连续波的光发送机1A或1B或者第三实施方式的将训练图案插入待发送数据中的光发送机70。
[0134]在第四实施方式中，代替外部设置本地振荡频率，本地振荡频率按照频率步长a (GHz)从本地振荡源22的最小频率到最大频率进行扫描，以自动使本地振荡频率与发送侧光源的频率一致或接近。
[0135]频率步长α是由光接收机的90度混合光混频器中的ΤΙΑ(未示出)的频带和ADC的频带确定的参数。如果频率偏移很大，即，如果β信号是高频信号，则无法检测到拍信号。更精确地讲，如果TIA和ADC的总频带为fc，并且如果拍频为fb，则当拍频fb远大于总频带fc (fb?fc)时，ADC无法监测拍信号。
[0136]在图27中，选择最小频率fmin(S601)，并将本地振荡频率“f”设置为fmin(S602)。本地振荡源输出连续波(S603)，并且等待直至波长稳定(S604)。从ADC获取采样数据并执行频率分析(S606)。从频率分析结果确定是否正在从发送侧接收光信号(S607)。此确定可如第一实施方式中所说明的利用阈值来进行。
[0137]如果没有检测到拍信号(S607为“否”)，则将本地振荡频率增加a GHz (S608)，并设置为下一值(S609)。重复步骤S604-S609，直至检测到拍信号。
[0138]当检测到拍信号时(S607为“是”)，将拍频f_Bl存储为频率偏移(S610)，并将本地振荡频率“f”设置为f+f_Bl(S611)。然后，确定新设置的频率是否在本地振荡频率的控制范围内(S612)。根据确定结果，执行必要操作。
[0139]后续的步骤S613-S624包括以下步骤:从ADC获取采样数据并且基于f_Bl和f_B2之间的比较来确定改变方向(S613-S621)，以及当所检测到的频率偏移超出可接受范围时终止处理(S622-S624)。这些步骤与图8的S211-S223相同，省略多余说明。
[0140]在图27的流程中，当通过按照步长α对频率进行扫描来检测拍频时仅进行一次微小调节。
[0141]图28示出图27的修改，其中多次执行微小调节。与图27中的步骤相同的步骤由相同符号指代，省略多余说明。
[0142]首先，将控制计数值N初始化(N = O) (S701)。然后，选择最小频率fmin(S601)，并将本地振荡频率“f”设置为fmin(S602)。后续的步骤S603-S609，即，从本地振荡源输出连续波、使波长稳定、从ADC获取采样数据、进行频率分析以及按照步长α对频率进行扫描直至检测到拍信号，这些步骤与图27中相同，省略多余说明。
[0143]当检测到拍信号时(S607为“是”)，确定频率偏移是否在可接受范围内(S702)。如果频率偏移在可接受范围内(F702为“是”)，则由于适当地进行了本地振荡频率的调节，所以处理终止。如果频率偏移超出可接受范围(F702为“否”)，则在正确方向上控制本地振荡频率的调节(S703)，并且将控制计数值N递增(S704)。然后，确定N是否已达到预定数(S705)，并且将S604-S704重复所述预定数的次数。当N已达到预定数时(F705为“否”)，处理终止。
[0144]图29示出图28的S703的详细操作。对本地振荡频率调节的控制与图27的S610-S623相同。从ADC采样数据的第一频率分析结果获取具有最大峰值的第一拍频f_BI，并且在可接受偏移范围内将本地振荡频率“f”设置为f+f_Bl(S610-S614)。然后，将第二拍频^82与^81进行比较，以检查频率调节的方向(S615-S618)。如果正在偏移频率增加的方向上进行调节，则在正确方向上控制操作(S619-S620)。如果调节的本地振荡频率在可接受范围内，则将调节的频率固定(S621)。如果调节的本地振荡频率超出可接受范围，则处理终止，同时生成警告(S622-S624)。
[0145]通过按照步长α对本地振荡频率进行扫描直至检测到拍信号，可在可接受偏移范围内细化本地振荡频率。
[0146]类似于第一实施方式和第二实施方式，如果即使在经过规定的时间段之后频率分析器仍没有检测到拍信号，则经由控制面对发送侧做出输出连续波信号的请求。
[0147]图30是用于说明实施方式的有利效果的曲线图。图30的曲线图表示归一化频率偏移与Q因子惩罚之间的关系。由曲线图中的三角形标记表示的m次幂算法(所述算法是普通频率偏移估计方法)可在±0.1的范围内补偿归一化频率偏移。由曲线图中的黑色正方形标记表示的PADE方法(由Nakashima等人提出)可将频率偏移补偿范围扩展至±0.4 ；然而，在该补偿范围的边缘附近，Q因子惩罚增大。即使对于由曲线图中的圆形标记表示的理想补偿，Q因子惩罚随频率偏移的绝对值增加而增大。
[0148]相比之下，通过实施方式的方法，对从独立于调制方案的功能块(例如，ADC或波长色散补偿器)获取的采样数据执行频率分析，以使本地振荡频率与发送侧光源的频率一致或接近。因此，不管调制方案如何，可将归一化频率偏移最小化为零或接近零。对于任何类型的调制方案，很少发生Q因子惩罚。
[0149]另外，与由数字信号处理器执行的频率偏移补偿相比，基于拍信号的频率偏移估计的范围较宽。例如，如果对50G符号/秒的数据执行两倍过采样，则采样率为100G样本/秒。通过FFT计算，可检测拍信号分量最高至奈奎斯特频率(即，采样频率的一半)，因此，可补偿小于50GHz的频率偏移。
[0150]在光互联论坛(OIF)中，初始启动时光源的频率偏移被标准化至范围±2.5GHz。即使考虑由老化相关劣化引起的最大5GHz(50G符号/秒)偏移，无论补偿方法如何(例如，m次幂算法或PADE方法)，归一化频率偏移为0.1，并且很少发生Q因子惩罚。
[0151]由于可测量小于50GHz的拍信号，所以可利用与远离现有50GHz网格达25GHz之间的频率一致的本地振荡频率建立光通信。即使当前采用的网格间隔在未来改变，采用柔性网格或无网格技术，也可通过本发明的实施方式的技术来控制频率偏移以建立通信。
[0152]在第一实施方式至第四实施方式的光接收机中，用于从ADC、频率分析器和频率控制器获取数据的接口可通过具有可按照与ADC相同的速度操作的高速接口的大规模集成电路(LSIC)(例如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC))来实现。如果使用低速电路，则ADC的接口可并行布置以低速获取采样数据，以用于频率分析和频率控制。可在ADC、频率分析器和频率控制器的相邻块之间插入存储器以消除处理速度的差异。
【权利要求】
1.一种光通信系统，该光通信系统包括: 光发送机；以及 光接收机，其经由传输线连接到所述光发送机， 其中，所述光发送机发送连续波光信号，该光信号在与所述光接收机中的本地振荡信号组合时使得能够实现拍检测，并且 其中，所述光接收机通过利用所述本地振荡信号对所述光信号进行检波来通过数字采样获取拍波形，在解调之前对具有所述拍波形的数字采样数据执行频率分析，并且基于拍频控制本地振荡频率。
2.—种用在光通信系统中的光发送机，该光发送机包括: 信号图案生成器，其被配置为生成用于本地振荡器调节的信号图案；以及 调制器，其基于所述信号图案输出光信号， 其中，所述信号图案是在所述光信号与接收侧的本地振荡光组合时能够实现拍检测的连续信号图案。
3.根据权利要求2所述的光发送机，其中，所述信号图案生成器生成非调制连续信号图案或者调制程度低于数据调制的低调制连续信号图案。
4.根据权利要求2所述的光发送机，该光发送机还包括: 信号组合器，其被配置为将所述信号图案与数据信号组合， 其中，所述信号图案生成器生成使得所述调制器能够输出连续波的所述光信号的训练图案，并且 其中，所述信号组合器将所述训练图案附加到所述数据信号上。
5.根据权利要求2所述的光发送机，其中，在设置了所述调制器中使用的光源频率之后，持续预定时间地输出基于所述信号图案的所述光信号。
6.一种用在光通信系统中的光接收机，该光接收机包括: 检波器，其被配置为利用本地振荡光来对接收光信号进行检波，以获取电信号； 模数转换器，其被配置为对所述电信号执行数字采样，以输出数字采样数据；以及 频率分析器，其被配置为对所述数字采样数据执行频率分析，以检测拍频， 其中，基于所检测到的拍频来控制所述本地振荡光的频率。
7.根据权利要求6所述的光接收机，其中，所述模数转换器按照与数据时钟不同步的时钟执行数字采样。
8.根据权利要求6所述的光接收机， 其中，所述接收光信号包括符号长度为Ld的数据信号和符号长度为Lp的训练图案，其中，所述频率分析器被配置为获取长度为(Ld+2*Lp)的所述数字采样数据，通过将块逐符号移位来将所述数字采样数据分成固定长度的多个块，并且对各个块执行频率分析以选择检测到所述拍频的块，并且 其中，基于在所选择的块中检测到的所述拍频来控制所述本地振荡光的频率。
9.根据权利要求6所述的光接收机，该光接收机还包括: 补偿器，其被配置为通过对所述数字采样数据执行数字信号处理来对频率偏移进行补偿；以及 控制器，其被配置为基于由所述频率分析器检测到的所述拍频以及从所述补偿器获取的补偿量来控制所述本地振荡光的频率。
10.根据权利要求9所述的光接收机，其中，所述控制器控制所述本地振荡光的频率，并且同时，控制所述补偿器不执行频率偏移补偿。
11.根据权利要求6所述的光接收机，该光接收机还包括: 可变本地振荡源，其被配置为在预定范围内改变所述本地振荡光的频率，并且在所述预定范围内按照规定的步长对所述本地振荡光的频率进行扫描， 其中，所述频率分析器对各个经扫描的频率执行拍检测，并且 其中，所述可变本地振荡源按照检测到所述拍频的频率来输出所述本地振荡光。
12.根据权利要求6所述的光接收机，其中，所述频率分析器将所述数字采样数据的获取和频率分析执行两次，以确定由所述拍频表示的所述本地振荡光的频率偏移的方向。
13.根据权利要求6所述的光接收机，其中，当频率分析结果超过规定的阈值时，所述频率分析器检测到所述拍频。
14.根据权利要求13所述的光接收机，该光接收机还包括: 监测器，其被配置为监测所述接收光信号的功率水平， 其中，所述频率分析器根据下述的表或者根据规定了该表中的参数之间的关系的近似式来选择所述阈值，其中在所述的表中，多个阈值与所述接收光信号的所述功率水平、所述拍频、所述本地振荡光的功率水平和所述检波器处的增益中的至少一个关联。
【文档编号】H04J14/02GK104135324SQ201410183251
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2013年5月1日
【发明者】坂井良男, 赤司保 申请人:富士通光器件株式会社